Способ сейсмической разведки

Изобретение относится к наземной и скважинной сейсморазведке, а также может быть использовано в геофизике почв, нацеленной на изучение упругих свойств почв и подстилающих их грунтов.

Установка сейсмоприемников на земной поверхности или вблизи нее, в пределах почвенного слоя, неизбежно приводит к понижению разрешающей способности сейсморазведки из-за наложения на сейсмическую запись микросейсм, а также низкочастотных колебаний, возникающих на контакте сейсмоприемника с рыхлой средой. Кроме того, в верхнем рыхлом слое происходит сильное поглощение информативных компонент спектра сейсмических колебаний, расположенных в высокочастотной части спектра. Теоретическими и экспериментальными работами давно установлено, что погружение сейсмоприемников ниже почвенного слоя обеспечивает более высокую частоту резонанса на контакте с окружающей средой [Пасечник И.П. Результаты экспериментального изучения резонансных явлений в колебательной системе почва-сейсмограф//Известия АН СССР, сер. геофиз., №3, 1952.]. Из этого следовало, что чем больше глубина погружения сейсмоприемника, тем меньше проявляются паразитные низкочастотные резонансные колебания, препятствующие проведению сейсморазведки в широком диапазоне частот.

Известен способ сейсмической разведки, в котором, с целью выделения полезных волн и подавления помех, сейсмоприемники погружают под зону малых скоростей и устанавливают их на коренные породы [Монастырев В.К., Бобровник И.И., Коновалов Ю.Г., Будников А.И. Способ сейсмической разведки//Авторское свидетельство СССР №199441, опубликовано 13.07.1967, Бюл. №15.]. Сейсмоприемники в этом способе вдавливают под рыхлые образования до получения надежного контакта с плотными породами. Тем самым ослабляются микросейсмы и уменьшается эффект поглощения сейсмических волн в рыхлых породах.

Основным ограничением известного способа является отсутствие какой-либо количественной информации об упругих свойствах пород, расположенных над сейсмоприемником, погружаемым путем вдавливания в коренные породы, и непосредственно под ним. Эта информация важна для изучения условий возбуждения колебаний в сейсморазведке, использующей наземные импульсные и вибрационные источники колебаний. Данные о сейсмических скоростях в верхней части разреза необходимы для ввода статических поправок в сейсмические записи. Кроме того, в геофизике почв количественная информация о глубине почвы и ее упругих свойствах необходима для осуществления картирования почв.

Наиболее близким к изобретению по сущности и назначению (прототип) является способ невзрывного возбуждения широкополосного сейсмического импульса с использованием свайного источника, который можно заглубить под зону малых скоростей [Чичинин И.С. Свайный источник сейсмических волн//Геофизика, геофизическое приборостроение, №1(21), 2015]. В этом способе возбуждение вибросейсмических колебаний осуществляют в разных точках в пределах заданного интервала глубин, а затем суммируют полученные записи после преобразования их в импульсную форму и введения в них статических сдвигов, компенсирующих различия в глубинах возбуждения. Информацию о величине статического сдвига получают с датчика, прикрепленного к нижнему концу сваи, вдавливаемой внутрь среды.

Основным недостатком известного способа является отсутствие в нем ценной информации об упругих свойствах горных пород, расположенных выше и ниже интервала глубин, в котором размещают источник колебаний. Кроме того, возбуждение колебаний посредством сваи, у которой нижний конец (наконечник) имеет диаметр больший, чем сама свая, не избавляет от паразитных колебаний в виде стоячих волн, возбуждаемых непосредственно в свае. Поэтому датчик, расположенный в наконечнике сваи, будет в неискаженном виде регистрировать, в основном, прямую волну, а последующая часть записи будет искажена резонансными помехами, обусловленными плохим контактом сваи со стенками отверстия, образованного при ее вдавливании в грунт.

Цель предлагаемого изобретения - изучение упругих свойств приповерхностной зоны.

Поставленная цель достигается тем, что в способе сейсмической разведки, состоящем в возбуждении сейсмических колебаний и регистрации колебаний погружными сейсмоприемниками, расположенными в приповерхностной зоне, в процессе погружения сейсмоприемников на разные глубины погружения, расположенные между земной поверхностью и максимальной глубиной погружения, проводят регистрацию колебаний, из полученных на разной глубине сейсмических записей формируют сейсмограмму, на которой прослеживают падающие и восходящие волны, по которым путем решения обратной задачи определяют сейсмические скорости и положение сейсмических границ. В одной из модификаций способа погружаемый сейсмоприемник прикрепляют к нижнему концу сваи, а к верхней ее части прикрепляют виброисточник с возможностью его использования как для погружения сваи, так и для возбуждения сейсмических колебаний. В еще одной модификации способа к концу сваи прикрепляют трехкомпонентный сейсмоприемник, и дополнительно возбуждают колебания виброисточником, расположенным в приповерхностной зоне на расстоянии от сваи, соизмеримом с глубиной трехкомпонентного сейсмоприемника.

По сравнению с прототипом предлагаемый способ сейсморазведки в соответствии с изобретением характеризуется такими существенными отличиями:

- расширением функциональных возможностей, состоящим в получении дополнительной количественной информации об упругих свойствах пород, расположенных выше конца сваи, так и непосредственно ниже него;

- возможностью использования детальной информации об упругих свойствах горных пород, расположенных в приповерхностной зоне, для введения статических поправок в сейсмические записи, а также для картирования почв и грунтов:

- возможностью прогноза сейсмических скоростей ниже максимальной глубины погружения сейсмоприемника по отраженным волнам, полученным при дополнительном возбуждении колебаний источником, вынесенным за пределы сваи.

Сущность предлагаемого способа состоит в следующем.

Оптимальным способом погружения сейсмоприемников на заданную глубину является прикрепление его к нижнему концу сваи, которая задавливается на нужную глубину путем воздействия на ее верхний конец непрерывных механических колебаний при помощи специального устройства, прикрепленного к верхнему концу сваи. Возбуждение механических колебаний обеспечивается известным путем посредством электромеханического преобразователя. Если полосу колебаний, возбуждаемых таким преобразователем, обеспечить в достаточно широком диапазоне, то сейсмоприемник будет регистрировать колебания в диапазоне частот, соответствующем заданному диапазону опорного электрического сигнала. В вибросейсморазведке такой сигнал называют свип-сигналом. Ширина полосы возбуждаемых частот соответствует рабочей полосе частот, используемой в инженерной сейсморазведке на исследуемом участке.

Если последовательно регистрировать сейсмоприемником, расположенным на конце погружаемой сваи, сейсмические сигналы, возбуждаемые свип-сигналом, то из полученных таким образом записей можно смонтировать сейсмограмму, аналогичную сейсмограмме вертикального сейсмического профилирования (ВСП) [Шехтман Г.А. Вертикальное сейсмическое профилирование//М.: ООО «ЕАГЕ Геомодель», 2017. - 284 с]. Последующее преобразование такой сейсмограммы в импульсную форму можно выполнить двумя способами: 1) путем формирования функции взаимной корреляции между свип-сигналом и зарегистрированными записями (виброграммами); путем деконволюции виброграмм с использованием свип-сигнала в качестве опорного сигнала [Шехтман Г.А., Кузнецов В.М. Деконволюция виброграмм ВСП - альтернатива корреляционной обработке или ее подспорье?// Технологии сейсморазведки, №2, 2005, 80-85].

Полученная описанным путем сейсмограмма будет содержать падающие и восходящие волны, которые можно разделить между собой известными способами. Падающие волны содержат информацию о скоростях распространения и глубинах границ, расположенных выше максимальной глубины погружения сейсмоприемника, а восходящие волны будут содержать информацию о глубинах границ, расположенных выше максимальной глубины погружения сейсмоприемника, а также ниже нее. Кроме того, восходящие отраженные волны вместе с падающими волнами содержат информацию об акустической жесткости пород (импедансе), расположенных ниже интервала, в котором проводится регистрация колебаний на разных глубинах. Эту информацию можно получить известными способами путем решения обратной динамической задачи.

Возбуждение колебаний в верхней части сваи, содержащей на нижнем ее конце сейсмоприемник, обеспечивает получение сейсмограммы, характерной для продольного профиля ВСП. При этом информация об изучаемой среде ограничена лишь продольными волнами. Для возбуждения поперечных и обменных волн необходимо возбуждать колебаний источником, расположенным не на свае, а в стороне от нее на удалении, соизмеримом с глубиной сейсмоприемника. При этом к нижнему концу погружаемой сваи прикрепляют трехкомпонентный сейсмоприемник, позволяющий разделять волны по направлению подхода в соответствии с их поляризацией. Использование поперечных волн позволит определять их скорости, а для продольных волн непродольный вертикальный профиль позволит путем решения обратной кинематической задачи по отраженным волнам определять скорости в породах, расположенных ниже сейсмоприемника, а также положение сейсмических границ. Эта информация позволит преобразовать в масштаб глубин импедансы, полученные путем решения обратной динамической задачи.

Способ осуществляют следующим образом.

На участках, где нет каких-либо противопоказаний для вдавливания свай, намечают точки для расположения погружных сейсмоприемников. К нижней части сваи прикрепляют сейсмоприемник, а к верхней ее части - виброисточник, предназначенный для вдавливания свай. Выбирают диапазон возбуждаемых частот таким, чтобы он включал частоту, принятую в качестве оптимальной при вдавливании свай на данном участке. Начиная с момента погружения сваи внутрь среды, с определенным шагом по вертикали проводят регистрацию сейсмических колебаний сейсмоприемником, прикрепленным к нижней части сваи. Шаг по вертикали берут, как обычно, равным четверти минимальной длины волны возбуждаемых колебаний. Из полученных записей составляют сейсмограмму, которую затем переводят в импульсную форму известными способами.

На каждой глубине, предназначенной для регистрации колебаний, дополнительно получают сейсмические записи от виброисточника, расположенного на расстоянии от вдавливаемой сваи, соизмеримом с глубиной сейсмоприемника. Из записей, полученных от такого виброисточника, формируют сейсмограммы, аналогичные сейсмограммам непродольного ВСП. При регистрации колебаний трехкомпонентным сейсмоприемником осуществляют ориентацию компонент записи, используя поляризацию прямой волны.

На этапе обработки данных по совокупности сейсмических записей, полученных при разных глубинах сейсмоприемников, вдавливаемых посредством сваи в исследуемую среду, путем решения обратной кинематической и обратной динамической задачи определяют упругие свойства горных пород, расположенных над интервалом регистрации сейсмических колебаний, а также под ним.